基本曲線(卵形曲線背景)
如圖1所示,為一典型的基本曲線。規定,凡是緩和曲線的一個端點的曲率為 0(半徑無窮大)的,不論長短,以及另一端曲率大小,都稱為完整緩和曲線。
基本型曲線的特點是:它由三個曲線元素組成:第一緩和曲線 +圓曲線 +第二緩和曲線,用符號表達,就是: Ls1+Ly+Ls2 ,其中最關鍵的一點是關於緩和曲線的,不論是 Ls1 還是 Ls2,都必須是完整緩和曲線,它連線直線和圓曲線,其中連線直線的那一端的曲率即為 0。
基本型曲線是各種等級公路主線使用最多的線型, 因此它的計算是最基本的要求。凡是滿足基本型曲線的定義的, 其曲線要素、 中樁坐標等均可使用同一套公式進行計算。
基本型曲線可以衍生出以下各種類型的曲線(圖2):
(1)純圓曲線: Ls1=Ls2=0
(2)對稱基本型曲線: Ls1=Ls2
(3)凸形曲線: Ly=0
(4)一側帶緩和曲線: Ls1=0,或者 Ls2=0
以上曲線的計算均可按基本型曲線公式計算。 也就是說,要使用基本型曲線公式計算,要么不帶緩和曲線,如果要帶,必須是 完整緩和曲線 。
兩個基本型曲線直接相連的復曲線,均可按獨立的兩個基本型曲線進行計算,其中,兩個同轉向的基本型曲線直接連線的稱為 C 型曲線,而兩個相反轉向的基本型曲線直接連線的稱為 S 型曲線。
S 型曲線在各種公路的平面線型中經常使用,而 C 型曲線則很少有使用的,究其原因, 是因為其線型不好, 仔細看一看吧, 兩曲率不相同的圓曲線之間緩和曲線的連線不合理。那如何解決呢,這就是卵形曲線了。
卵形曲線的定義
卵形曲線(見圖3)是指在兩個同向圓曲線徑向銜接或插入的直線長度不足時,用一條迴旋線連線兩個圓曲線的組合曲線 。它是按直線-緩和曲線 -圓曲線-緩和曲線-圓曲線 -緩和曲線-直線順序組織構成的幾何線形。圓曲線( R1)和( R2)之間的緩和曲線曲率變化範圍為1/R1~1/R2。在幾何理論上,若兩圓曲線相交、相切或相離時,只用一條迴旋線不能將兩個圓曲線連線起來,所以卵形曲線必須要求大圓曲線能完全包住小圓曲線(假定R1>R2)。並且,為了避免中間緩和段過長或曲率變化過急,一般要求R2/R1=0.2~0.8;緩和曲線的參數C取值範圍為 。
卵形曲線的圖式
如圖4所示,CABD為卵形曲線中圓曲線( R1) -緩和曲線-圓曲線( R2)段(為作圖方便,省去兩端的直線-緩和曲線)。MAB為中間段緩和曲線的補全圖。需指出的是,中間段緩和曲線的長度 由f( R1, ,R2, )來決定,且由幾何條件得出 :
與C形曲線比較
從組合形式看,卵形曲線是由基本型單曲線(見圖5)衍生而成的,只是實際運用中,基本型單曲線運用較多,而卵形曲線受地形、地物和其他特殊條件限制,運用頻率較少。同樣,C形曲線(見圖6)也是基本型單曲線衍生而成的。c形曲線定義為同向曲線的兩迴旋線在曲率為零處徑向銜接的形式。C形曲線連線處的曲率為0,相當於兩同向曲線中間直線長度為0,對行車和線形都有一定的影響,所以C形曲線在路段上只有在特殊地形下方可使用。
和C形曲線相比,卵形曲線也是同向的、兩個不同半徑的圓曲線相連的一種形式,而卵形曲線的特點在於,在兩個不同曲率半徑(分別是R,、R2)的圓曲線之間,用一條迴旋線A進行過渡,而迴旋線A的曲率半徑則是從R,過渡到R:,這樣,卵形曲線的兩圓曲線之間的過渡方式比C形曲線要好。在道路路線設計中,鑒於卵形曲線過渡方式好於C形曲線,行駛舒適度也優於C形曲線,故實際設計中,在受地形、地物或其他特殊條件限制時,同向曲線應儘量避免C形曲線的出現,儘量用卵形曲線來調整整體道路中心線的線形設計 。
卵形曲線形式
常用的卵形曲線也有多種形式,用一個迴旋線連線兩個同向圓曲線的組合線形叫雙心卵形曲線。雙心卵形曲線其實就是最基本的卵形曲線(見圖3)。在雙心卵形曲線基礎上,再連線第三個同向圓曲線的組合線形,叫三心卵形曲線(見圖7)。在三心卵形曲線的基礎上,再接第四個同向圓曲線的組合線形,叫四心卵形曲線(見圖8)。理想情況下,無論是多少個圓曲線用迴旋線徑向連線,其迴旋線參數及半徑大小均宜在道路相關設計規範限制範圍內 。
卵形曲線的判別
判別是否是卵形曲線的條件:
(1)兩交點必須是相同轉向,且兩交點曲線之間的直線距離為 0;
(2)兩交點中,必定有一個交點的緩和曲線為 0,而且該緩和曲線的位置與另一個交點相接;
(3)由於卵形曲線是兩交點、五線元( Ls1+Ly1+Lf+Ly2+Ls2 ),因此,撇去 QZ 點,兩交點總共只有五個主點樁號,直曲表中必有一欄 ZH 點或 HZ 點為空(對應著緩和曲線為 0);
(4)對於緯地軟體生成的直曲表 (類型如宜章至鳳頭嶺高速公路直曲表),兩交點半徑欄中有一個交點會註明有兩個半徑值,其中大半徑和與之相連的 JD的半徑值相等;
(5)最後一條,這一條也是必要條件,就是對於其中一個類似於不對稱基本型曲線的交點(如廣元至巴中高速公路的 YJD135),假若按基本型曲線計算其曲線要素,與直曲表所列曲線要素絕對不相等。